电力系统的绝缘配合

电力系统的绝缘配合电力系统运行的可靠性主要由停电次数及停电时间来衡量。绝缘的击穿是造成停电的主要原因之一。电力系统运行的可靠性．在很大程度上决定于设备的绝缘水平及工作状况。为了提高系统的运行可靠性、合理地确定设备绝缘水平，具有十分重大的意义。电力系统中的绝缘包括发、变电站的电气设备的绝缘和线路的绝缘。电力系统的绝缘在运行中将承受：正常运行时的工作电压、短时过电压、操作过电压及大气过电压8.1绝缘配合的基本概念与方法绝缘配合的原则就是综合考虑电气设备在电力系统中可能承受的各种电压(工作电压及过电压)、保护装置的特性和设备绝缘对各种作用电压的耐受特性，合理地确定设备必要的绝缘水平，以使设备的造价、维修费用和设备绝缘故障引起的事故损失，达到在经济上和安全运行上总体效益最高的目的。绝缘配合的最终目的就是确定电气设备的绝缘水平，所谓电气设备的绝缘水平是指该电气设备能承受的试验电压值。对应于设备绝缘可能承受的各种作用电压，在进行绝缘试验时，有以下几种试验类型：①短时(一分钟)工频试验；②长时间工频试验：③操作冲击试验；④雷电冲击试验。要做到符合绝缘配合总的原则，必须计及不同电压等级、系统结构等诸因素的影响，具体情况，灵活处理。在不同电压等级的系统中，正常运行条件下的工频电压不会超过系统的最高工作电压，这是绝缘配合的基本参数。然而，其他几种作用电压在绝缘配合中的作用则因系统电压等级的不同而不同，因此在高压及越高压系统中绝缘配合的具体原则不同，绝缘试验类型的选择亦有差别。首先，对不同电压等级系统，配合原则是不同的。对220kV以下的电网，电气设备的绝缘水平主要由大气过电压决定。对330kV及以上的超高压绝缘配合中，操作过电压将起主导作用。处在污秽地区的电网的外绝缘水平应主要由系统最大运行电压决定。在特高压电网中，电网的绝缘水平可能由工频过电压及长时间工作电压决定。第二，在技术上要力求做到作用电压与绝缘强度的全伏秒特性配合。为此要求具有一定伏秒特性和伏安特性的避雷器能将过电压限制在设备绝缘耐受强度以下，这个要求是通过避雷器与设备绝缘强度的全伏秒特件配合来实现的。在绝缘配合中不考虑谐振过电压。第三，为了兼顾设备造价、运行费用和停电损失等的综合经济效益．绝缘配合的原则需因不同的系统结构、不同的地区以及不同的发展阶段而有所不同。第四，对于输电线路的绝缘水平，一般不需要考虑与变电所的绝缘配合。通常是以保证一定的耐雷水平为前提，基本上由工作电压和操作过电压决定。但是，在污秽地区或操作过电压被限制到较低数值的情况下，线路绝缘水平则主要由最大工作电压决定。第五，应从运行可靠性的角度出发，选择合理的绝缘水平，以使各种作用电压下设备绝缘的等效安全系数都大致相同。通常，除型式试验外，一般电气设备出厂试验只做1min工频耐压试验。1)试验的方便；2)在某种程度上雷电冲击对绝缘的作用可用工频电压来等价。电气设备的工频试验电压是按如下程序来确定的：工频耐压值，代表了绝缘对雷电、操作过电压的总的耐受水平。对于超高压电气设备(330-500kV)，考虑到操作波对绝缘作用的特殊性，还需规定操作、雷电冲击试验电压。8.2.2绝缘配合的方法1.惯用法按作用在绝缘上的最大过电压和最小的绝缘强度的概念进行绝缘配合的。即首先确定设备上可能出现的最危险的过电压，然后根据运行经验乘上一个考虑各种因素的影响和一定裕度的系数，从而决定绝缘应耐受的电压水平。2.统计法统计法是根据过电压幅值和绝缘的耐受强度都是随机变量的实际情况，在已知过电压幅值和绝缘放电电压的概率分布后，用计算的方法求出绝缘放电的概率和线路故障率，在技术经济比较的基础上，正确地确定绝缘水平。这种方法不仅定量地给出设计的安全裕度，并能按照使用设备费、每年的运行费以及每年的事故损失费的总和为最小的原则，确定一个输电系统绝缘配合的最佳方案。过电压概率密度函数；绝缘放电概率分布函数；:)(:)(UPUfg设：二者互不相关(独立)的f(U)dU：过电压在U0附近dU范围内出现的概率；P(U0)：过电压U0作用下绝缘放电的概率；由概率积分的计算公式得到出现这样高的过电压并使绝缘放电的概率是：图绝缘故障率的估算duUfUPdRg)()(00dR称为微分故障率。通常只按过电压的绝对值进行统计(正、负极性约各占一半)，且高于最大运行相电压幅值U≥Upn时才作为过电压，所以将上式在Upn到∞(或到某一值为止)积分可得故障率R，即一般，绝缘在负极性操作冲击下的耐压强度较高，若忽略负极性下的故障率，则绝缘在操作过电压下故障率的估计值为dUUfUPRpnU)()(000dUUfUPRpnU)()(21000绝缘强度↑，P(U)→，R↓，投资成本↑。8-28-18-33.简化统计法在简化统计法中，对过电压和绝缘特性两条概率曲线的形状作出一些通常认为合理的假定，即假定它们均服从正态分布，而且己知它们的标准偏差分别为σ0及σi；则过电压的概率密度函数f(u)及绝缘放电的概率函数P(u)：8-48-5由于在式(8-2)中u在-∞~0范围内用f(u)=0，以及u在0~Uphm范围内f(u)≈0,可得绝缘故障率为8-6通过变量置换进行积分运算，可以得到：8-7Uao及Uai分别为过电压的均值及绝缘的50％放电电压。同理，若略去负极性下的故障率，得绝缘在操作过电压下故障率的估算值：8-8因此只要已知Uao及Uai即可根据式(8-8)很快算得故障率R。国际电工委员会绝缘配合标准推荐采用出现概率为2％的过电压值为“统计过电压”US，推荐闪络概率为10％、即耐受概率为90％的电压为绝缘的“统计耐受电压”Uw，在这个基础上可以得到不同的统计安全系数γ下绝缘的闪络概率。SWUU因为在正态分布下~;),(;),(),,,(0RUURUUUUWSaiaoiWS8.2中性点接地方式的影响1.有效接地(包括直接接地及经小阻抗接地)2.非有效接地(包括经消弧线圈接地)。接地方式的选择是个重要的综合性问题，直接影响到设备绝缘水平的确定、系统的运行可靠性、保护设备的工作条件以及对通信线路的干扰等。中性点接地方式的不同，使系统过电压水平及其所决定的设备绝缘水平有很大的差异。中性点直接接地系统有很大的优越性：中性点直接接地系统有很大的优越性：①最大长期工作电压(指相对地绝缘所承受的电压)为相电压。中性点非直接接地系统单相故障时并不立即跳闸，可以继续带故障运行一定时间，因而它的最大长期工作电压可达线电压，即Un。考虑到调压的需要，实际运行电压可能较Un高出10-15％，因此最大长期运行电压为(1.1-1.15)Un。中性点直接接地系统相电压为220kV及以下取1.15;330kV及以上取1.1。这样，对避雷器的灭弧条件比较有利，避雷器的阀片数目及间隙均可减少，避雷器的结构尺寸可以减小。nphUU3)15.1~05.1(②大气过电压低。由于设备绝缘上所承受大气过电压的数值取决于避雷器的特性，而在中性点直接接地系统中，根据较低的最大长期运行电压确定的阀片及间隙的数目也少，因此其残压和冲击放电电爪也较中性点非直接接地系统为低，一般约低20％。③内部过电压低。在中性点非直接接地系统中，内部过电压是在线电压的基础上发生和发展的，而中性点直接接地系统中内部过电压是在相电压的基础上发生和发展的，因而数值较低，一般较中性点非直接接地系统低20％-30％。基于以上三个方面的考虑，在中性点直接接地系统中的设备绝缘水平可比在中性点非直接接地系统中降低20％左右。这正是超高压系统采用中性点直接接地的方式的理由：减少绝缘费用，降低造价。对低电压等级，直接接地优势不突出且直接接地的缺点可成为主要问题。中性点直接接地的缺点是：①在电力系统中，单相接地故障所占比例很大，若中性点直接接地，一旦出现很大的单相短路电流，线路立即跳闸，不但给断路器造成严重的负担，也造成突然停电，影响供电的可靠性。②中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，故障电流很小，不会对邻近通信线路产生很强的干扰；而中性点直接接地系统中很大的故障电流的电磁感应作用很强，将在邻近通信线路上产生很危验的感应电压，造成对设备或人身的危害。③中性点直接接地系统中发生单相接地故障时，甚大的故障电流产生很大的电动力，可能造成电气设备绝缘的损坏。综合以上所述优、缺点，不同电压等级的电网采取不同的中性点接地方式，以便兼顾电网运行可靠性及经济性两方面的要求。对于60kV及以下电压等级的系统，我国电力行业标准规定，根据系统的具体条件，允许采用低电阻接地方式、高电阻接地方式，或消弧线因接地等非有效接地方式，后者虽然要求绝缘水平较高，但因电压等级低，增加投资不多．却可使系统运行可靠性有所提高。对于110kv及以上电压等级的系统，采用中性点直接接地方式，主要取其要求绝缘水平低的优点，以降低绝缘投资，至于可靠性问题可以采取相应措施解决之。例如，为解决频繁跳闸问题，。一般全线架设避雷线，增加投资不多(对超高压输电线路)，却可大大减少雷击跳闸次数；还可以加装自动重合闸装置、提高运行的可靠性，为减小故障电流，一般110kV系统中部分变压器中性点绝缘。为防止对邻近通信线的干扰，通常在设计线路时使其远离通信线路，或在通信线路上加装保护装置。通常以确定电力变压器的绝缘水平为中心环节，再确定其它设备的绝缘水平。确定电气设备绝缘水平的基础是避雷器保护水平，即设备的绝缘水平与避雷器的保护水平进行配合。避雷器的保护水平包括雷电冲击保护水平（BIL）和操作冲击水平(BSL)。确定雷电冲击保护水平：变压器的雷电冲击耐受电压和避雷器雷电冲击保护水平之间应取一定的安全裕度系数。当电气设备与避雷器紧靠时，安全系数取1.25，有一定距离时取1.4。8.2输变电设备绝缘水平的确定雷电冲击耐受电压安全系数=雷电冲击保护水平确定避雷器操作冲击保护水平：变压器的操作基本冲击绝绕水平与避雷器被保护水平相配合，安全系数不低于1.15。对于用不同的避常器保护或非将效保护的设备，应选用较高雷电冲击耐受电压及与之对应的操作冲击耐受电压。有绕组绝缘的设备，应作雷电冲击截波试验。雷电冲击截波耐受电压幅值一般比全波幅值高出10％左右。对330kV及以上电压等级，在发电厂、变电站中决定空气间隙的过电压是操作过电压。8.3输电线路绝缘水平的确定包含确定绝缘子串的绝缘子片数及线路绝缘的空气间隙。确定绝缘子的片数要求：①在工作电压下不发生污闪；②下雨天在操作过电压下不发生闪络；③具有一定的雷电冲击耐受强度，保证线路有一定的耐雷水平。8.3.1绝缘子片数的确定具体的作法:：1．按工作电压下所要求的泄漏距离(爬电比距)sp决定所需绝缘子片数n：2．按内部过电压进行验算增加一些绝缘子，以便出现零值绝缘子后，其余的绝缘子仍能耐受出现的操作过电压。一般是用绝缘子串的工频湿放电电压来代替绝缘子串在内部过电压作用时的放电电压。3.按大气过电压进行验算一般情况下，大气过电压对确定绝缘子串的片数影响是不大的，因为耐雷水平主要取决于各项防雷措施的综合效果，因此它仅作验算条件。在特殊高杆塔或高海拔地区，雷电过电压则成为确定绝缘子片数的决定因素。phshUkU01.18.3.2输电线路空气间隙的确定输电线路的空气间隙主要有：导线对大地、导线对导线、导线对架空地线、导线对杆塔及横担。确定导线对杆塔的距离：垂直距离l、水平距离：在确定导线对杆塔间隙的大小时，必须考虑风吹导线使绝缘子串倾偏摇摆偏向杆塔的偏角。工作电压：按最大风速(约25—35m/s)计算，风偏角θp最大；内部过电压，按最大风速的50％计算，风偏角θs较小；雷电过电压：计算风速一般采用10m／s，风偏角θl最小。1.按工作电压确定风偏后的间隙sp2.按操作过电压确定风偏后的间隙ss3.按雷电过电压确定绝缘于串风偏后的空气间隙sl：在雷电冲击波下U50%取为绝缘子串相对应电压的85％；llplsinps绝缘子串在垂直位置时对杆塔的水平距离：选三者之中最大的一个。一般情况下，对空气间隙的确定起决定作用的是雷电过电压。但随着电压等级的提